因?yàn)閷I(yè)
所以領(lǐng)先
使用熱膨脹系數(shù)與基板和芯片相近的焊膏可以 降低層間熱應(yīng)力,使用低楊氏模量焊膏燒結(jié)可以形 成柔性互連層,避免互連層出現(xiàn)疲勞裂紋。因此可 以通過(guò)添加合適材料參數(shù)的顆粒調(diào)節(jié)互連層的熱膨 脹系數(shù)和楊氏模量,進(jìn)而獲得高質(zhì)量的燒結(jié)接頭。Schmitt等在燒結(jié)銀漿料中將10%的Ag顆粒替換為Ag 包覆Ni或Mo顆粒,降低了焊料層的熱膨脹系數(shù)和楊 氏模量,燒結(jié)接頭經(jīng)過(guò)2 500次熱循環(huán)后沒(méi)有觀察到 可見(jiàn)的分層。
1.3 基板材料對(duì)互連質(zhì)量的影響 對(duì)于大功率模塊,散熱和高溫可靠性是必須 解決的關(guān)鍵問(wèn)題,陶瓷基板是功率模塊中常用的材 料,主要包括直接覆銅基板(DBC)、活性金屬釬 焊(AMB)和直接覆鋁基板(DBA)等。 DBC和AMB的金屬底板材料均為Cu,但制作工 藝與使用的陶瓷材料不同。DBC是將銅在高溫下與 陶瓷通過(guò)共晶鍵合的方式結(jié)合,使用的陶瓷材料主 要為成本較低的Al2O3,但Al2O3的熱導(dǎo)率較低且熱膨 脹系數(shù)較大,不適合長(zhǎng)期高溫工作。AMB利用含少 量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)Cu與陶瓷的連接, 使用的陶瓷材料為熱膨脹系數(shù)與SiC接近的Si3N4, Si3N4具有2.4倍于Al2O3的抗彎強(qiáng)度,在熱循環(huán)中不 易斷裂,大幅度提高了基板的熱性能。Won等將 1 200 V/200 A SiC MOSFET通過(guò)銀燒結(jié)連接到Si3N4 AMB基板上,獲得了經(jīng)過(guò)1 000次熱時(shí)效和熱循環(huán)后 剪切強(qiáng)度為35 MPa以上的燒結(jié)接頭。 DBA的金屬底板材料Al具有高抗熱震性和 低的物理質(zhì)量,更適合于高溫應(yīng)用。Chen等在-50~250 ℃范圍內(nèi),通過(guò)熱沖擊測(cè)試評(píng)估了DBA 和DBC基板的熱循環(huán)壽命,DBA基板燒結(jié)接頭具有 更好的高溫可靠性,這與斷裂機(jī)制有關(guān)。圖2顯示 了在熱循環(huán)前后,鍍Au的DBA和DBC襯底上Ag燒 結(jié)體連接的界面演化和斷裂模式。在DBA上,初始 Ag-Au接頭擴(kuò)散層與燒結(jié)銀層之間的弱界面結(jié)合線 發(fā)生斷裂
2.1 工藝條件對(duì)互連質(zhì)量的影響
影響納米銀燒結(jié)的工藝參數(shù)主要包括燒結(jié)壓 力、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、升溫速率和燒結(jié)氣氛。
燒結(jié)壓力可以為燒結(jié)提供驅(qū)動(dòng)力,促進(jìn)銀顆粒間的機(jī)械接觸、頸生長(zhǎng)和銀漿料與金屬層間的相互 擴(kuò)散反應(yīng),有助于消耗有機(jī)物排出氣體,使互連層 孔隙更少,從而形成穩(wěn)定致密的銀燒結(jié)接頭。但由 于現(xiàn)有的設(shè)備技術(shù)原因,高燒結(jié)壓力難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化生產(chǎn),且過(guò)高的燒結(jié)壓力會(huì)造成芯片的損壞,從 而導(dǎo)致器件可靠性的下降。對(duì)于銀顆粒尺寸較小的 焊膏,銀燒結(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力較小,因此可以實(shí)現(xiàn)低 溫?zé)o壓燒結(jié)。然而,在無(wú)壓燒結(jié)工藝中燒結(jié)時(shí)間不 足時(shí)接頭孔隙率較大,在高于250 ℃下燒結(jié)至少需要 60 min才能形成牢固的連接接頭。
適當(dāng)提高燒結(jié)溫度、高溫下的保溫時(shí)間和升 溫速率可以獲得更高強(qiáng)度的燒結(jié)接頭,納米銀顆粒 的燒結(jié)是由焊膏中有機(jī)物的蒸發(fā)控制的,更高的溫 度、保溫時(shí)間和升溫速率可以讓有機(jī)物蒸發(fā)更快, 獲得更好的燒結(jié)接頭。但過(guò)高的溫度、升溫速率和 過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化,過(guò)大的升溫速率 會(huì)導(dǎo)致焊膏中有機(jī)物迅速蒸發(fā),從而產(chǎn)生空洞和裂 紋等缺陷,影響連接強(qiáng)度和服役可靠性。
納米銀焊膏常用的燒結(jié)氣氛為空氣、氮?dú)夂图?酸。燒結(jié)氣氛中一定含量的氧可以激活焊膏中有機(jī) 物的降解,促進(jìn)銀顆粒之間的連接和縮頸,從而有 利于剪切強(qiáng)度的提高。但燒結(jié)氣氛中的氧含量過(guò)高 時(shí),Cu基板表面易生成氧化物。Kim等將SiC芯片 /納米銀漿料/Cu基板在空氣和氮?dú)庵?30 ℃燒結(jié), 研究發(fā)現(xiàn),在空氣中燒結(jié)時(shí),納米銀接頭剪切強(qiáng)度 為3 MPa,燒結(jié)銀界面出現(xiàn)粘連破壞;在氮?dú)庵袩Y(jié) 可使納米銀接頭剪切強(qiáng)度提高到約9 MPa,斷裂界面 在燒結(jié)銀內(nèi)部。ROH M H等對(duì)比了在N2和甲酸氣 氛下,在不同基材上無(wú)壓燒結(jié)(溫度300 ℃、持續(xù) 60 min)后的接頭剪切強(qiáng)度,N2和甲酸氣氛下Cu基 板接頭的剪切強(qiáng)度分別為10.4 MPa和11.2 MPa,這說(shuō) 明甲酸氣氛可以用于減少銅表面的氧化物。
除了燒結(jié)時(shí)的工藝參數(shù),貼片的工藝條件也會(huì)影響銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。Takemasa等]使用不同的芯 片貼裝速度和深度將Si芯片安裝到印刷銀漿料的Cu 基板后無(wú)壓燒結(jié),研究了芯片貼裝速度和深度對(duì)銀 燒結(jié)接頭的影響。當(dāng)貼片速度快時(shí),銀膏層均勻, 空洞較少,如圖3(a)和圖3(b)所示,但當(dāng)貼片深度 達(dá)60 μm時(shí),部分銀膏被擠出,互連層殘余銀膏較 少,如圖3(c)所示。當(dāng)貼片速度較慢時(shí),X-ray難以 穿過(guò)銀密度較高的區(qū)域,芯片對(duì)角線上X-ray圖像變 暗,呈現(xiàn)出深色的十字,如圖3(d)~圖3(f)所示。隨著 貼片深度和空洞數(shù)量的增加,芯片周圍的銀膏體中 出現(xiàn)了許多裂紋。結(jié)果表明,更快的貼片速度和合 適的貼片深度有利于提高銀燒結(jié)的連接質(zhì)量。
此外在40~175 ℃、500 h的熱循環(huán)試驗(yàn)中評(píng)估 了不同芯片貼裝速度和深度銀燒結(jié)接頭的高溫可靠 性。當(dāng)芯片貼裝速度較慢時(shí),經(jīng)過(guò)熱循環(huán)后芯片邊 緣區(qū)域出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展,導(dǎo)致剪切強(qiáng)度迅速下降。當(dāng) 芯片貼裝速度較快時(shí),燒結(jié)接頭表現(xiàn)出良好的高溫 可靠性。
由此可得,盡管不同樣品的燒結(jié)工藝相同, 但芯片貼裝條件不同,燒結(jié)接頭可靠性存在顯著差 異,選取合適工藝條件與參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量銀燒結(jié) 接頭的關(guān)鍵。
2.2 金屬化層對(duì)互連質(zhì)量的影響
銀燒結(jié)互連質(zhì)量取決于燒結(jié)過(guò)程中原子間擴(kuò)散 產(chǎn)生的界面連接,通常采用基板表面金屬化提高連 接質(zhì)量,不同金屬化層基板的燒結(jié)質(zhì)量有所差異。Chen等[25]研究了Au、Ag和Ni金屬化的銀燒結(jié)連接結(jié) 構(gòu)的高溫可靠性,時(shí)效1 000 h后,Au、Ni金屬化接 頭的芯片剪切強(qiáng)度僅為初始的一半左右,Ag金屬化 接頭具有最好的高溫可靠性。
Ag是在銀燒結(jié)中常用的鍍層,由于銀焊膏和鍍 Ag層的化學(xué)性質(zhì)和晶格常數(shù)相同,因此在燒結(jié)過(guò)程 中銀焊膏更容易與鍍Ag層結(jié)合,能夠獲得較大的剪 切強(qiáng)度,在熱時(shí)效過(guò)程中發(fā)生多次再燒結(jié),燒結(jié)界 面連接率變化不大,具有良好的高溫可靠性。
Ni是常用的低成本鍍層,具有較低的擴(kuò)散率和反應(yīng)速率,通常在DBC基板上作為阻擋層減緩原子 間相互擴(kuò)散,幾乎可以忽略金屬間化合物的形成問(wèn) 題,故在Ni金屬化基板上實(shí)現(xiàn)銀燒結(jié)連接具有重要 意義,然而Ni在高溫下易氧化,使得接頭在高溫服 役時(shí)剪切強(qiáng)度迅速下降。Wang等研究了一種在空 氣中無(wú)壓燒結(jié)銀鍵合Ni金屬化基板的互連方法,將 納米銀顆粒、亞微米銀顆粒和微米銀顆?;旌蠠Y(jié) 獲得了40 MPa以上的剪切強(qiáng)度。這種強(qiáng)結(jié)合是因?yàn)?三模態(tài)銀顆粒緊密堆積,Ag-Ni界面處有足夠的金屬鍵,有助于有機(jī)物的分解和氣體的排出,有效防止 了Ni的氧化。
與其他金屬化層相比,Au的高溫可靠性較低 且價(jià)格較高,但在電極、Si/SiC晶圓和印刷電路板 (PCB)等電子器件中,Au表面處理可以使PCB不 受環(huán)境溫度和濕度的影響,在多次回流中具有優(yōu)異 的抗氧化性能,Au金屬化是芯片背面和基板的不可 避免的選擇。因此,在高溫應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)銀燒結(jié)連接 功率模塊的Au表面加工基板引起了廣泛研究,當(dāng)前 研究主要有兩種提高銀燒結(jié)在Au表面加工基板上的連接質(zhì)量的方法。
第一種方法是在燒結(jié)前對(duì)Au表面進(jìn)行預(yù)熱處 理。研究表明,與未進(jìn)行預(yù)熱的Au金屬化組織相 比,在250 ℃預(yù)熱后燒結(jié)接頭剪切強(qiáng)度從15 MPa提 高到25 MPa。這是因?yàn)轭A(yù)熱處理改善了Ni/Au鍍層的 微觀結(jié)構(gòu)。圖4為Au層未預(yù)熱和250 ℃預(yù)熱銀燒結(jié)接 頭界面的掃描電鏡(SEM)圖像,在未預(yù)熱時(shí),Au 層擴(kuò)散至燒結(jié)銀時(shí)產(chǎn)生單向拉應(yīng)力,導(dǎo)致Au與Ni的 界面處形成大量空洞,在燒結(jié)過(guò)程中形成Ag-Au固 溶體。在250 ℃預(yù)熱后,Au和Ni層界面處未出現(xiàn)空 洞,Ag-Au固溶體未形成,Au層與燒結(jié)銀之間的界 面結(jié)合良好,由于Cu基板、Ni鍍層和Au鍍層之間熱 膨脹系數(shù)存在差異,在預(yù)熱過(guò)程中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力導(dǎo) 致晶粒缺陷消失。但預(yù)熱溫度過(guò)高時(shí),Ni擴(kuò)散至Au 表面生成粗糙的NiO層,阻礙了Au和Ag的結(jié)合,導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降。
第二種方法是增加基板上Au層的初始厚度。Zhang等[28]對(duì)比了不同厚度Au層上銀燒結(jié)的結(jié)合強(qiáng) 度,Au層厚度從0.3 μm增加到0.8 μm時(shí),剪切強(qiáng)度 由14.9 MPa上升至30.6 MPa。這是因?yàn)檩^厚的Au層通 常具有較大的Au晶粒,從而具有較少的晶界擴(kuò)散,在界面處可以形成牢固的結(jié)合。
2.3 銀應(yīng)力遷移鍵合
Oh C等提出了一種銀應(yīng)力遷移鍵合的互連方 法:在基板和芯片上濺射一層Ag薄膜后在250 ℃左右 的溫度下燒結(jié),由于熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生了殘余應(yīng) 力,Ag薄膜中銀原子在應(yīng)力梯度驅(qū)動(dòng)下遷移,銀原 子的擴(kuò)散導(dǎo)致Ag薄膜上形成小丘。隨著燒結(jié)時(shí)間的增 加,小丘長(zhǎng)大導(dǎo)致異常Ag晶粒生長(zhǎng),使結(jié)合界面面積 增大,從而實(shí)現(xiàn)Ag膜之間的固相結(jié)合,如圖5所示。
已有研究表明,形成小丘應(yīng)力是實(shí)現(xiàn)銀應(yīng)力遷 移鍵合的驅(qū)動(dòng)力,因此可以通過(guò)選用合適的互連材 料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命、穩(wěn)定的銀應(yīng)力遷移鍵合。然而,大應(yīng)力遷移是孔洞的來(lái)源,Kunimune T等[30] 在Ag薄膜和基板之間插入熱膨脹系數(shù)介于基板和Ag 薄膜之間的Pt金屬層,松弛了薄膜應(yīng)力,從而減少應(yīng) 力遷移,也作為擴(kuò)散屏障防止基底界面的過(guò)度孔洞生長(zhǎng)和聚集。
Chen等研究證實(shí),固體多孔銀結(jié)構(gòu)也可以為 應(yīng)力遷移機(jī)制提供驅(qū)動(dòng)力,利用銀的多孔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí) 現(xiàn)界面結(jié)合與山丘生長(zhǎng)。與燒結(jié)銀膏和銀應(yīng)力遷移 鍵合不同的是,固體多孔銀的厚度可以控制且不受 限制,且具有更大的鍵合面積。圖6為制備固體多孔 銀結(jié)構(gòu)的工藝流程,制備所得的兩個(gè)固體多孔銀結(jié) 構(gòu)之間的界面實(shí)現(xiàn)了結(jié)合。
固體多孔銀結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于大面積鍵合,15 mm× 15 mm的Si芯片在300 ℃燒結(jié)得到的剪切強(qiáng)度大于30 MPa, 與應(yīng)力遷移鍵合技術(shù)中得到的剪切強(qiáng)度值相當(dāng),且顯 著強(qiáng)于傳統(tǒng)Sn-Pb焊料,電阻率約為7 μΩ·cm,為 無(wú)鉛合金焊料的一半。具有較厚連接層的固態(tài)多孔 銀降低了功率模塊中的熱應(yīng)力,從而提高了結(jié)構(gòu)可靠性。
IGBT功率模塊清洗
為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題,世界各國(guó)均在大力發(fā)展新能源汽車、高壓直流輸電等新興應(yīng)用,促進(jìn)了大功率電力電子變流裝置的廣泛應(yīng)用。大功率變流裝置的可靠性對(duì)這些應(yīng)用而言十分重要。裝置的可靠性與其核心器件IGBT密切相關(guān)。
目前,大量的IGBT仍在采用傳統(tǒng)的正溴丙烷等溶劑清洗清洗,隨著對(duì)環(huán)保的管控和對(duì)產(chǎn)品可靠性的要求不斷提高,原有的傳統(tǒng)溶劑清洗已不能滿足IGBT清洗。對(duì)此,合明提出新型的IGBT清洗方案。
合明科技半水基清洗工藝解決方案,采用合明科技專利配方,可在清洗IGBT凹槽內(nèi)存在大量的錫膏殘留的同時(shí)去除金屬界面高溫氧化膜,更含有保護(hù)芯片獨(dú)特的材料;配方材料親水性強(qiáng),清洗后易于用水漂洗干凈。
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